UNIVERSIDAD NACIONAL DE LUJAN

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA

CIENCIA DE LOS MATERIALES

Procesos Termoqumicos

de Endurecimiento Superficial

INGENIERIA INDUSTRIAL

2012

Lisandro Ferrero 2

ndice

Endurecimiento Superficial .......................................................................................................... 3

1 Introduccin .......................................................................................................................... 3 2 Procesos Termoqumicos ...................................................................................................... 3

2.1 Carburizacin.................................................................................................................... 4 2.1.1 Carburizacin Gaseosa ............................................................................................... 5

2.1.2 Carburizacin Slida .................................................................................................. 9 2.1.3 Carburizacin Lquida.............................................................................................. 11

2.2 Carbonitruracin ............................................................................................................. 14 2.2.1 Carbonitruracin Gaseosa ........................................................................................ 14

2.2.2 Carbonitruracin Lquida - Cianuracin ................................................................... 18 2.3 Nitruracin ...................................................................................................................... 19

2.3.1 Ventajas de la Nitruracin ........................................................................................ 20 2.3.2 Diagrama Hierro-Nitrgeno ..................................................................................... 21

2.3.3 Teora de la nitruracin ............................................................................................ 22 2.3.4 Composicin de los aceros de nitruracin ................................................................ 24

2.3.5 Instalaciones de nitrurar ........................................................................................... 24 2.4 Nitrocarburacin ............................................................................................................. 25

2.4.1 Nitrocarburacin lquida .......................................................................................... 26 2.4.2 Nitrocarburacin Gaseosa ........................................................................................ 27

2.5 Boronizado ..................................................................................................................... 27 2.6 Sulfinizacin ................................................................................................................... 29

Anexo 1 ........................................................................................................................................ 30 Anexo 2 ........................................................................................................................................ 31

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Endurecimiento Superficial

1 Introduccin El endurecimiento superficial es un trmino general que abarca una amplia variedad de tcnicas, todas

ellas con el mismo objetivo:

Esta combinacin de superficie dura y resistencia al impacto, dos propiedades en general opuestas entre

s, es til en piezas tales como engranajes, ejes y piezas sometidas al desgaste mecnico.

Hay tres enfoques diferentes a los diversos mtodos de endurecimiento superficial. Estos son: Procesos

Termoqumicos, Procesos Trmicos y Revestimientos. Las principales diferencias entre ellos se muestran en la Tabla 1. En este apunte slo se tratarn los Procesos Termoqumicos.

Procesos Termoqumicos

Se modifica la composicin qumica de la superficie. Se introducen especies endurecedoras al acero (Por ej: C, N, B) en un

proceso de Difusin.

Carburizacin

Nitruracin

Carbonitruracin

Nitrocarburacin

Boronizado

Sulfinizacin

Procesos Trmicos No se modifica la composicin qumica de la superficie.

Se modifica la microestructura superficial sin la adicin de especies

endurecedoras

Endurecimiento por llama

Endurecimiento por induccin

Endurecimiento por lser

Endurecimiento por haz de electrones

Revestimientos / modificaciones superficiales

Se deposita una nueva capa sobre el sustrato de acero.

Se modifica la composicin qumica subsuperficial

Cromado duro (Hard chromium plating)

Recubrimiendo de Ni autocataltico (Electroless

Nickel Plating)

Thermal Spraying

Soldadura de Recargue (Weld hardfacing)

Deposicin Qumica en Fase Vapor (QVD)

Deposicin Fsica en Fase Vapor (PVD)

Implantacin Inica

Laser Surface Processing

Tabla 1. Mtodos ingenieriles para el endurecimiento superficial de los aceros y algunos no ferrosos

2 Procesos Termoqumicos Son procesos de endurecimiento superficial por difusin. En este caso, se modifica la composicin

qumica de la superficie de la pieza mediante un proceso termoqumico, el cual necesita calor para promover la disfusin de una especie endurecedora hacia la superficie y regiones subsuperficiales de la pieza a tratar.

Este proceso de difusin modifica la composicin qumica de la superficie de la pieza, formando una capa

dura. La profundidad de la capa dura posee la siguiente relacin temperatura-tiempo:

tiempoKcapadedprofundida Ec. 1

en donde la constante de difusividad, K, depende de la temperatura, la composicin qumica de la pieza y del

gradiente de concentracin de la especie endurecedora. En trminos de temperatura, la constante de

difusividad se incrementa exponencialmente con la temperatura absoluta. El gradiente de concentracin

depende de la cintica superficial y reacciones del proceso en particular. Los diferentes mtodos de endurecimiento por difusin se clasifican en la Tabla 2 segn quin sea la

especie endurecedora o bien, segn el medio de transporte (fase) empleado para controlar y transportar la

especie endurecedora hacia la superficie de la pieza. Las principales diferencias entre cada proceso estn en las profundidades de capa y dureza superficial. En

el Anexo 1 se resume para cada uno de estos procesos, las diferentes profundidades de capa y durezas

superficiales.

Aumentar la dureza superficial de la pieza, incrementando la resistencia al desgaste y

conservando la tenacidad en el interior de la misma. En algunas aplicaciones se busca, adems,

incrementar la resistencia a la fatiga.

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Proceso de endurecimiento Especie endurecedora

Carburizacin Slida o en Cajas (Pack) C

Gaseosa C

Lquida / Sales C (+ N)

Vaco C

Nitruracin Gas N + Cptos de N

Lquida / Sales N + Cptos de N

Ion (Plasma) N + Cptos de N

Carbonitruracin Gaseosa C + N

Lquida (Cianuracin) C + N

Nitrocarburacin Gaseosa N + C

Lquida N + C

Boronizado Slido B + Cptos de B

Lquido B + Cptos de B

Gaseoso B + Cptos de B

Plasma B + Cptos de B

Lecho Fluidizado B + Cptos de B

Sulfinizacin Lquida C + N + S

Tabla 2. Clasificacin de los procesos de endurecimiento por difusin (procesos termoqumicos).

2.1 Carburizacin Es un proceso de endurecimiento superficial en el que la especie endurecedora es el carbono. Se emplea

para endurecer principalmente superficies de piezas de acero de bajo carbono y aceros aleados de bajo

carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %C.

El proceso de carburizacin puede resumirse en los siguientes pasos: a) Calentar la pieza hasta la temperatura de austenizacin (815-1090 C). b) Someter la pieza a un medio carburante (slido, lquido o gaseoso) por un determinado tiempo (de

algunas horas a das, dependiendo del medio carburante). c) Temple la pieza: La superficie carburada, de mayor templabilidad, forma martensita. El ncleo de la

pieza, cuya composicin qumica no es alterada, posee menor templabilidad y no forma martensita.

d) Revenido de la microestructura martenstica superficial. De esta forma, se obtiene en la pieza un gradiente superficial en la concentracin de carbono (ver Figura

1). Como consecuencia, se genera un gradiente de dureza, que es mayor en la superficie y decrece hacia el

interior. As se genera una superficie dura (50-65 HRC) y resistente al desgaste, conservando la tenacidad del

interior de la pieza.

Figura 1. Izq: Gradiente en la concentracin de carbono que resulta de la carburizacin gaseosa de un acero SAE

8620 para 4, 8 y 16 horas a 927 C. Der: Diferentes microestructuras de la carburizacin slida de un acero 0.15% C, luego de un enfriamiento lento desde 940C por a) 1 hora, b) 2 horas y c) 4 horas.

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2.1.1 Carburizacin Gaseosa

En este proceso, manteniendo las piezas de 1 a 8 horas en una atmsfera carburante, a temperaturas de

850C a 950C, se obtienen capas cementadas de 0.2 a 1.5 mm de profundidad. nicamente en casos

especiales, como la fabricacin de blindajes, se emplean procesos ms largos y se obtienen capas cementadas de mayor espesor. Aunque las instalaciones son bastante complicadas y costosas, la cementacin de las

piezas es muy sencilla y rpida. Se obtienen resultados muy regulares y se pueden cementar grandes

cantidades de piezas en muy poco tiempo. En la actualidad, la cementacin gaseosa es el mtodo de endurecimiento superficial ms empleado en grandes talleres, fbricas de autombiles, motocicletas, etc.,

donde se preparan cantidades importantes de piezas cementadas y no es muy recomendable para talleres

pequeos que trabajan slo con pequeas series. Este procedimiento est sustituyendo en muchos casos a la

cementacin slida (en cajas), y a la cementacin lquida (en bao de sales). Las piezas de aceros de bajo carbono expuestas a atmsferas carburantes (por ej, metano o propano) se

carburizarn a temperaturas a partir de de 850 C. En la forma ms primitiva de este proceso, la fuente de

carbono en la atmsfera carburante era tan rica que se alcanzaba el lmite de solubilidad de carbono en austenita para esa temperatura (ver diagrama Fe-Fe3C en el Anexo 2). Como consecuencia, se podra formar

Fe3C en la superficie del acero a alta temperatura, por estar la austenita saturada de carbono. Esta no es una

condicin muy favorable para un temple posterior. Adems, si slo se emplea metano o propano como

atmsfera carburante, se genera gran cantidad de hollin sobre toda superficie dentro del horno, incluyendo la pieza. Si bien este modo de carburizacin todava se emplea en algunos lugares de recursos limitados, el

principal objetivo en la prctica moderna de la carburizacin gaseosa es poder controlar el contenido de

carbono en la atmsfera del horno de forma tal que:

La concentracin de carbono final en la superficie de las piezas se encuentra por debajo del lmite de solubilidad de la austenita.

Se minimiza la deposicin de holln en el interior del horno.

sta es la razon por la cual se emplean atmsferas carburantes controladas. Se producen mezclando un

gas portador con un gas rico (gas carburante). ste ltimo suele ser gas natural (metano), propano o butano.

Un tipo de gas portador es el endotrmico, que se produce en un generador independiente mezclando en

cierta proporcin, un gas hidrocarburo (gas natural, propano o butano) con aire. Posteriormente se efecta su descomposicin a alta temperatura (1000 C) y en presencia de un catalizador en un horno. Este es el

principio del generador de atmsfera endotrmica, mostrado en la Figura 2. De esta forma, el gas portador es

una mezcla de CO, H2, N2 y en menor proporcin CO2, CH4 y vapor de agua. Tiene la funcin de diluyente, disminuye la generacin de holln y acelera la reaccin de carburizacin en la superficie de la pieza.

Figura 2. Generador de gas endotrmico.

Un segundo tipo de gas portador, son las atmsferas Metanol-Nitrgeno. Slo se lo menciona para

nombrar un tipo de gas portador diferente al gas endotrmico. Se forman a partir de la mezcla de metanol con nitrgeno. Tienen la ventaja de no requerir un generador de gas independiente, sin embargo tiene mayor

costo.

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Equipamiento Tipos de Hornos

Los tipos de hornos para la carburizacin gaseosa pueden dividirse en dos categoras: hornos contnuos y

hornos tipo batch.

En los hornos tipo batch, las piezas son cargadas y descargadas del horno en cada partida. Los ms

comunes son los hornos de fosa (ver Figura 3), horizontales y de lecho fluidizado. En todos ellos, las piezas se colocan en cestas o se cuelgan con alambres, segn su forma y tamao. Luego, se las introduce en el

horno a travs del cual circula el gas carburante, en general agitado por un ventilador. Terminada la

carburizacin, se desplaza la tapa del horno y se saca la cesta donde se encuentran las piezas para ser llevadas rpidamente a otro horno (que se encuentra a menor temperatura) y luego se pasan las piezas al

bao de temple. En particular, algunos hornos horizontales pueden tener un sistema integrado de temple, en

el que no es necesario retirar la pieza de la atmsfera carburante (ver Figura 4). En estos casos, las piezas son llevadas del horno a un vestbulo que termina en una pileta de temple al aceite. En este caso, dado que la

atmsfera del horno tambin fluye hacia el vestbulo, se evita la oxidacin de las piezas antes del temple.

Figura 3. Horno de fosa con carga superior.

Figura 4. Horno horizontal con sistema de temple integrado de alta productividad.

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En los hornos contnuos, las piezas son transportadas a travs del horno de un extremo al otro por medio

de bandejas o cadenas mviles (ver Figura 5). Existen varios diseos (rotativos, de retorta rotativos, con cinta

transportadora, etc) y tambin pueden ser diseados con un sistema integrado de temple. Estos tipos de hornos se caracterizan por la elevada productividad en la carburacin de piezas similares.

Figura 5. Horno continuo con cinta transportadora.

Variables en el proceso de carburizacin

La operacin exitosa en el proceso de carburacin gaseosa depende del control de tres variables

principales: temperatura, tiempo y composicin de la atmsfera. Como variables secundarias se pueden nombrar el contenido de aleantes de la pieza a carburar, y el grado de circulacin de la atmsfera del horno.

TEMPERATURA. La velocidad mxima a la cual el carbono puede ingresar al acero est limitada por la velocidad de difusin del carbono en austenita. Esta velocidad de difusin se incrementa pronunciadamente

al incrementar la temperatura. Por ejemplo, el carbono se incorpora en el acero un 40% ms rpido al pasar

de 870 C a 925 C. Una temperatura de carburizacin muy empleada es 925C, por permitir una velocidad de carburizacin

razonablemente rpida sin un deterioro excesivo del interior del horno. Esta temperatura puede ser elevada a

955 C y 980 C, acortando el tiempo de carburizacin para piezas que requieran mayor profundidad de capa.

A la inversa, en caso de requerir menores profundidades de capa, se emplean menores temperaturas de carburizacin obteniendo un control mucho ms preciso de la capa carburada.

Para obtener un resultado consistente en la carburizacin, la temperatura debe ser uniforme en toda la

pieza. Dado que las piezas ubicadas en el exterior de la carga son las primeras en alcanzar la temperatura de carburizacin, comienzan a carburarse mucho antes que una pieza en el interior de la carga. La consecuencia

es una variabilidad en la profundidad de capa de una pieza a otra. Por lo tanto, para mejorar esta situacin, en

primer lugar se precalienta la carga hasta la temperatura de carburizacin en una atmsfera endotrmica (tanto en los hornos tipo batch como en los continuos). Una vez alcanzada la temperatura deseada, la

carburizacin comienza cuando se agrega el gas carburante.

TIEMPO. El efecto del tiempo y de la temperatura sobre la profundidad de capa se muestra en la Figura 6. Segn se observa, el tiempo de carburizacin disminuye si la temperatura aumenta. El grfico fue

calculado suponiendo austenita saturada en la superficie de la pieza. En caso de controlar el contenido de

carbono superficial, y que ste sea menor al de saturacin, la profundidad de capa ser menor que el mostrado en la Figura 6.

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Figura 6. Profundidad de capa vs. tiempo de carburizacin a diferentes temperaturas.

COMPOSICIN DE LA ATMSFERA. En la discusin de esta seccin, se asumir que la atmsfera

consiste de un gas endotmico (producido a partir de metano) que es enriquecida por la adicin de metano,

quien es finalmente la fuente de carbono. Los principales constituyentes de la atmsfera carburante resultante son: CO, N2, H2, CO2, H2O y CH4.

De todos estos constituyentes, el N2 es inerte, actuando slo como diluyente. Las cantidades de CO, CO2, H2,

y H2O presentes en el gas son muy cercanas a las composiciones del siguiente equilibrio:

222 HCOOHCO Ec. 2

Si bien la secuencia de reacciones en el proceso de carburizacin no est de todo entendida, se sabe bien

que el carbono slo ingresa en el acero bajo el estado naciente, debido a su mayor reactividad. El carbono naciente, C(en Fe), se forma bajo las siguientes reacciones:

2COFe)C(en 2CO Ec. 3

OHFe)C(en HCO 22 Ec. 4

Slo el carbono naciente que se forme en la superficie de la pieza ser el que tenga la reactividad

necesaria para difundir hacia el interior. El metano est presente en cantidades mayores a las del equilibrio y provee el carbono del proceso de

carburacin por medio de las siguientes reacciones:

224 H2CO2COCH Ec. 5

224 H3COOHCH Ec. 6

las cuales reducen la concentracin de CO2 y H2O, respectivamente. Estas reacciones regeneran CO e H2, por

lo que desplazan las ecuaciones 3 y 4 hacia la derecha. Debido a que el contenido de metano de la atmsfera carburizante es mucho mayor al esperado por el equilibrio, dada una cantidad de CO2 y H2O presente, se

hace evidente que las reacciones de las ecuaciones 5 y 6 tampoco se aproximan al equilibrio.

La suma de las reacciones entre las ecuaciones 3 y 5 y tambin entre las ecuaciones 4 y 6 se reduce a:

24 H2Fe)C(en CH Ec. 7

Finalmente, las cantidades de CO2 y H2O se mantienen constantes y el cambio en la composicin de la atmsfera de carburacin resulta en una reduccin del contenido de metano y un incremento en la cantidad

de H2. De esta forma, los parmetros que se monitorean a fin de controlar la atmsfera carburante son:

contenido de vapor de agua (midiendo el punto de condensacin del gas), contenido de CO2 (mediante una anlisis infrarojo del gas), cantidad de O2 (mediante sensores de circonia)

1.

1 Nota: La presencia de O2 altera la reactividad del carbono naciente bajo la siguiente reaccin: CO21/2OFe)C(en

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2.1.2 Carburizacin Slida

En la carburizacin slida, o carburizacin en cajas, la pieza a tratar es calentada en un contenedor

cerrado (caja) y en contacto con un compuesto de carburizacin slido, segn se esquematiza en la Figura 7.

ste es el mtodo ms antiguo de los procesos de carburizacin, y fue el ms empleado durante muchos aos. Sin embargo, su uso ha disminuido significativamente en los ltimos aos debido a las limitaciones

inherentes del proceso y a la mejora de las otras tcnicas de carburizacin, principalmente, la carburizacin

gaseosa. A pesar de las limitaciones de este proceso, la carburizacin slida an ofrece algunas ventajas atractivas,

lo cual hace que siga siendo empleada en algunos talleres que no requieran produccin a gran escala.

Las principales ventajas de la carburizacin slida son:

Se pueden emplear una gran variedad de hornos, dado que el proceso genera su propia atmsfera contenida en la caja de carburizacin.

Ideal para piezas que deban ser mecanizadas luego de la carburizacin y antes del tratamiento trmico final, debido a que se pueden lograr bajas velocidades de enfriamiento desde la temperatura de

carburizacin.

Baja distorsin de las piezas durante la carburizacin, debido a que se emplea el compuesto carburizante para soportar las partes.

Comparado con la carburizacin gaseosa, esta tcnica permite mayores opciones en cuanto a tcnicas de carburizacin selectiva.

Las principales desventajas de la carburizacin slida son:

No es adecuado para producir capas poco profundas, donde se requiera estrictas tolerancias en cuanto a la profundidad de capa. Esto se debe principalmente a la variacin de temperatura en el interior de la

caja. Por la misma razn, no todas las piezas dentro de la caja tendrn la misma profundidad de capa.

Comparado con la carburizacin gaseosa, la carburizacin slida no proporciona la flexibilidad ni la exactitud en cuanto al control de las variables del proceso y por ende, los resultados finales.

Posee dificultad de templar directamente las piezas desde las cajas. Requiere una operacin adicional para pasar la pieza recin carburada al bao de temple, siendo imposible la automatizacin del proceso de temple al trabajar con grandes series.

Requiere de mayor tiempo de procesamiento debido al calentamiento y enfriamiento de la caja y del compuesto de cementacin.

Mayor consumo de combustible/electricidad, como consecuencia del item anterior.

Requiere considerable mano de obra. Elevado costo de preparacin y colocacin de las piezas en las cajas.

Posee problemas medio-ambientales asociados a la disposicin de compuestos de carburizacin que contienen bario.

Figura 7. Izquierda: Esquema del proceso de cementacin slida. En la pieza a cementar, C representa al carbono en la superficie de la pieza y CO al gas que circula alrededor de la misma. Derecha: Recipiente comercial de compuesto endurecedor.

Compuestos de Carburizacin

Los compuestos de carburizacin o polvos endurecedores comerciales ms empleados estn formados por

carbn vegetal, coque de petrleo o alquitrn, mezclado con 10 a 20 % de carbonatos de bario, calcio y sodio.

Compuesto de Carburizacin

(Polvo Endurecedor)

Calor

Contenedor cerrado

(Caja de cementar)

Pieza a Cementar Calor

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En caso de emplearse slo carbn como polvo endurecedor, se obtendran capas carburadas con un

contenido de carbono inferior a 0.65%. Mezclndolo en cambio con carbonatos alcalinos o alcalino-trreos,

se alcanza hasta 1.20% de carbono en la superficie. Por ello, estos carbonatos se llaman activadores. Por otro lado, en la antigedad se pensaba que la transferencia del carbono al acero ocurra directamente

del carbono slido proveniente del compuesto de carburizacin. Sin embargo, si se coloca una pieza de acero

rodeado de materias carburantes y se calienta a 925C en el vaco, no habra gases alrededor de la pieza y el acero no absorbera carbono. De esta forma, se puede comprobar que los verdaderos agentes carburantes son

los gases que se desprenden del polvo endurecedor a alta temperatura.

El xito de la cementacin slida depende en gran parte de la aptitud del medio carburante para

suministrar y rodear la superficie del acero con carbono, en un estado que se puede llamar activo. De esta forna, la absorcin del carbono por el acero se efectua rpidamente. La experiencia ha demostrado que el

carbono naciente que se forma en el interior de las cajas de cementacion al descomponerse el xido de

carbono, se encuentra en un estado muy favorable para que se produzca la cementacin. Este mecanismo se explica a continuacin:

El carbn a elevada temperatura y en contacto con el oxigeno del aire del interior de las cajas produce

xido de carbono:

2COO2C 2 Ec. 8

Luego, el xido de carbono se descompone a elevada temperatura en carbono naciente y dixido de carbono:

2COC2CO Ec. 9

ste carbono naciente formado es el que produce la cementacin, difundiendo hacia el interior de la pieza.

Los carbonatos, y en especial el carbonato brico, tienen la funcin de facilitar la formacin de xido de

carbono. De esta forma, aceleran y mejoran la penetracin del carbono naciente, siendo stos los verdaderos agentes carburantes.

23 COBaOcalorBaCO Ec. 10

CO2CCO2 Ec. 11

El CO producido (ecuaciones 8 y 11) se descompone en carbono naciente segn la Ec. 9, y el BaO reacciona

con el CO2 dando nuevamente BaCO3.

Dado que las mezclas cementantes pierden su actividad con el uso, es necesario renovarlas peridicamente. Una prctica comn es mezclar 3 a 5 partes de mezcla usada y una parte de mezcla nueva.

En todos los casos, para que se verifique con facilidad la absorcin del carbono, es necesario que el acero

se encuentre en estado austentico, con hierro en estado gamma. Esta condicin se cumple a las temperaturas normales de carburizacin (de 850C a 950C). En estas condiciones, el acero puede llegar a absorber hasta

1.4% de C, pudiendo llegar hasta 1.7% de C a 1145C. En caso de que el hierro se encuentre en estado alfa, a

temperaturas ms bajas, la capacidad de absorcin del carbono sera muy limitada: 0.035% de C a 720C.

Equipamiento Tipos de Hornos y Cajas Cementantes

Se emplean hornos calentados con carbn, gas, fuel oil o electricidad. En ellos, se colocan las cajas de cementar, con las piezas y las mezclas cementantes dentro. Las juntas de las cajas deben quedar bien

cerradas, empleando barro o arcillas refractarias.

Las principales caractersticas que debe tener un horno para ser empleado en la carburizacin slida son:

proveer buena capacidad trmica, uniformidad en la temperatura y tener soportes adecuados para las cajas. En cuanto al material de las cajas, se puede utilizar recipientes de aceros al carbono (puede estar revestido

con aluminio), fundicin, chapas de acero soldado, acero inoxidable o aleaciones Fe-Cr-Ni para altas

temperaturas. La funcin del aluminio como revestimiento del acero al carbono, es la de extender la vida til del acero al carbono. Esto reduce significativamente el costo de las cajas. La eleccin del material depender

de la amortizacin que se le de. Es decir, el material ms barato podra llegar a ser una aleacin Fe-Cr-Ni,

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con la mayor inversin inicial, pero amortizada en funcin de la cantidad de aos de uso y continuidad de la

produccin.

Es conveniente que las cajas posean patas o queden colocadas cobre apoyos para que penetre el calor por debajo y la cara inferior se pueda calentar con facilidad.

Variables en el Proceso de Carburizacin

La carburizacin en cajas tiene las mismas variables a controlar que las ya comentadas en la

carburizacin gaseosa: temperatura, tiempo y composicin de la atmsfera.

Al igual que en la carburizacin gaseosa, la velocidad de formacin de la capa carburada se incrementa rpidamente con la temperatura. El rango de temperatura normal es 815C a 955C. Sin embargo, en los

ntimos aos la temperatura de carburizacin ha sido elevada hasta 1095C, debido a las mejoras en los

procesos de fabricacin del acero (prcticas de grano fino). Algunos aceros pueden mantener el grano fino hasta los 1040C . Por encima de esta temperatura, el crecimiento de grano ocurrira luego de un tiempo lo

suficientemente largo. Finalmente, la creciente mejora del material de las cajas y los aceros de grano fino,

permiten el uso de una gran variedad de temperaturas.

La profundidad de capa a una determinada temperatura de carburizacin es proporcional a la raiz cuadrada del tiempo (ver Figura 8). De esta forma, la velocidad de carburizacin es mayor al principio del

proceso y disminuye gradualmente con el tiempo.

Figura 8. Efecto del tiempo en la carburizacin slida a 925C.

En cuanto a la composicin de la atmsfera, la cantidad de carbono naciente en la atmsfera generada se

incrementa directamente al aumentar la relacin de monxido de carbono a dixido de carbono (Ec. 11 desplazada a al derecha). Por lo tanto, la cantidad de carbono en la superficie de la pieza es mayor si se

utilizan energizantes y compuestos de carburizacin que promuevan la formacin de monxido de carbono.

Variaciones en la Profundidad de Capa

An con un buen control de las variables del proceso, es difcil obtener piezas con una variacin en la profundidad de capa menor a 0.25mm. Por ello, las tolerancias comerciales para profundidades de capa en la

carburizacin slida comienzan en +/-0.25mm. Para mayores profundidades de capa, esta tolerancia puede

llegar hasta +/-0.8mm. Menores temperaturas de carburizacin disminuyen la variacin en la profundidad de

capa. Debido a la variacin de la profundidad de capa, inherente al proceso, y al costo asociado al armado de

las cajas, no es comn emplear este proceso para piezas que requieran profundidades de capa menores a

0.8mm.

2.1.3 Carburizacin Lquida

En la carburizacin lquida, la pieza es inmersa en un bao de sales carburizantes a una temperatura

mayor a Ac1. Al igual que la carburizacin slida, la carburizacin lquida ya no tiene la importancia

comercial que tena en el pasado. Esto se debe principalmente a cuestiones medioambientales, por la dificultad y costo asociado a la disposicin de las sales, sobre todo aquellas que contienen cianuro. Adems,

la remocin de las sales puede llegar a ser muy difcil en algunas piezas.

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Debido a las caractersticas de la transferencia trmica del bao de sales a la pieza, la pieza se calienta

mucho ms rpido y la carburizacin lquida se realiza en menor tiempo que la gaseosa. En general, las

piezas se templan luego del bao, seguido de un revenido.

La mayora de las sales de carburizacin contienen cianuro, en cuyos casos se introduce tanto carbono

como nitrgeno a la capa. Sin embargo, tambin hay sales que no contienen cianuro y slo instroducen carbono a la pieza.

Bao de Sales con Cianuro

En este proceso se introduce carbono y nitrgeno al acero. La dureza superficial alcanzada puede

considerarse casi exclusivamente a la accin del carbono. La influencia del pequeo porcentage de nitrgeno

en la capa es menor y puede ser casi despreciable. Las sales empleadas pueden clasificarse en dos grupos, de acuerdo a la profundidad de capa:

a) Sales de baja temperatura o de penetracin media. Se consiguen capas cementadas de 0.2 a 1.5mm. En general se usan en el rango de 850 a 900C. En algunos casos especficos, este rango se

extiende de 790 a 925C. La composicin de estas sales se muestra en la Tabla 3. b) Sales de alta temperatura o de gran penetracin. Se consiguen capas cementadas de 1 a 3mm. En

general se usan en el rango de 875 a 950C. En algunos casos se pueden lograr profundidades de hasta

6mm. El uso ms importante de estas sales es por la rpida formacin de capas de 1 a 2mm. La composicin de estas sales se muestra en la Tabla 3. De la tabla, se observa que estas sales tienen

mayor cantidad de cloruro brico, cloruro potsico y otras sales alcalinas como fluoruros o cloruros

de bario, calcio o estroncio. Estas sales aumentan notablemente la penetracin del carbono, actuando

como agentes catalticos.

Sales de baja T o

penetracin media

Sales de alta T o

gran penetracin

Profundidades de

capa promedio (mm) 0.2 a 1.5 1 a 3

Cianuro Sdico 17 a 23 7.5 a 12

Cloruro Brico 14 a 40 45 a 55

Otras sales alcalinas 0 a 3.5 2 a 10

Cloruro Potsico - 5.5 a 20

Cloruro Sdico 20 a 30 0 a 15

Carbonato Sdico

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Figura 9. Influencia de la temperatura y naturaleza del cementante en el espesor de la capa cementada que alcanza un contenido de carbono superior a 0.30%.

Bao de Sales sin Cianuro

Estos baos de sales estn formados por pequeas partculas de carbono dispersas en una sal fundida,

compuesta por carbonatos y cloruros alcalinos. La dispersin de las partculas de carbono se logra por medio

de agitacin mecnica. La reaccin qumica an no est del todo entendida, pero se piensa que involucra la adsorcin de

monxido de carbono sobre las partculas de carbono. El monxido de carbono es generado por la reaccin

entre el carbono y los carbonatos. Finalmente, se presume que el monxido de carbono adsorbido reaccina con la superficie del acero al igual que el proceso de carburacin slida o gaseosa.

Las temperaturas del proceso varan de 900 a 955C. La profundidad y gradiente de carbono es similar al

producido por sales con cianuro a alta temperatura (capas profundas), con la diferencia que la capa no

contiene nitrgeno.

Equipamiento Tipos de Hornos

Las sales se disponen en crisoles que pueden ser de fundicin, chapa de acero (embutida o soldada) o

acero inoxidable refractario. El calentamiento de los crisoles puede ser con carbn, gas, fuel oil o electricidad

(ver Figura 10).

En los hornos elctricos de mufla debe evitarse el contacto de los vapores de cianuro con las resistencias, dado que las ataca, acortando la vida til del horno.

Figura 10. Hornos empleados en la carburacin lquida. Izquierda: calentados con gas o fuel oil. Derecha: calentados con resistencia elctrica.

Lisandro Ferrero 14

Un tipo de horno elctrico muy utilizado consta de un grupo de electrodos que quedan sumergidos en el

bao (ver Figura 11). Como las sales fundidas son conductoras, a travs de ellas pasa la corriente elctrica y

el calor originado por el paso de esta corriente es suficiente para el calentamiento del bao. Como las sales slidas no son conductoras de la electricidad, la puesta en marcha es algo complicado. Se comienza

colocando entre dos electrodos un trozo de coke de tamao apropiado, que se presiona entre ellos con una

barra de hierro auxiliar para facilitar el contacto. El paso de la corriente calienta el carbn, que llega a ponerse al rojo. Luego, comienza a fundirse las sales que estn a su alrededor. Posteriormente se calienta y

funde el resto de la masa. La temperatura se regula con gran exactitud modificando el voltaje de los

electrodos. Es necesario disponer de campanas sobre los crisoles, para absorber los vapores nocivos que se

desprenden.

Figura 11. Horno de electrodos sumergidos, empleado en la carburacin lquida.

2.2 Carbonitruracin

La carbonitruracin es un proceso modificado de carburizacin, y no una forma de nitruracin. Involucra la difusin de carbono y nitrgeno a la superficie exterior del acero, formando la capa dura por accin de

ambos elementos. Puede ser llevado a cabo en la atmsfera gaseosa de un horno (carbonitruracin gaseosa,

seccin 2.2.1) o en un bao de sales (carbonitruracin lquida o cianuracin, seccin 2.2.2). El procesamiento por plasma es ms reciente, y tambin se lo emplea en la carbonitruracin de los aceros, aunque no se lo

descibir en este captulo.

En general, la carbonitruracin se realiza a menores temperaturas que la carburizacin gaseosa, entre 775-

900C contra 870-1065C, respectivamente. Los perodos de tiempo tambin son ms cortos. Si se combinan estos parmetros con el hecho de que el nitrgeno inhibe la difusin del carbono, la carbonitruracin resulta

en capas ms duras pero de menor profundidad que en la carburizacin gaseosa.

Los aceros carbonitrurados conservan luego del revenido, durezas ms elevadas que los cementados, debido a la presencia del nitrgeno en la capa dura. Generalmene es necesario emplear temperaturas de

revenido ms altas que en la cementacin para alcanzar la misma dureza. Otra propiedad interesante de los

aceros carbonitrurados, es su mayor resistencia al ablandamiento y al desgaste a alta temperatura, cuando las

piezas deban trabajar en caliente.

2.2.1 Carbonitruracin Gaseosa

El equipo necesario para realizar la carbonitruracin gaseosa est compuesta por un horno de cmara,

retorta o mufla. En l se introduce el gas endotrmico y amonaco, que son las fuentes de carbono y

nitrgeno, respectivamente. Cualquier equipo que sirva para la carburizacin gaseosa puede ser utilizado

Lisandro Ferrero 15

para carbonitrurar, ya que slo es necesario agregar de 2 a 12% de amonaco a la misma atmsfera empleada

en la carburizacin gaseosa.

Ejemplos de aceros comnmente carbonitrurados son de la serie 1000, 1200, 1300, 1500, 4000, 4100, 4600, 5100, 6100, 8600, 8700, con contenidos de carbono de hasta 0.50%. Se logran profundidades de capa

de hasta 0.75mm en el rango de temperaturas de 760 a 870C (menor que en la carburizacin gaseosa). Se

alcanzan durezas superficiales de 60 a 65 RC. A modo de comentario, existe una forma de carbonitruracin diferente, que se realiza a baja temperatura

y con mayor porcentaje de amonaco, en donde la capa dura queda conformada por un compuesto hierro-

carbono-nitrgeno. En estos casos, no es necesario efectuare el temple posterior. Este compuesto tiene mejor

resistencia al desgaste y es muy atractivo en algunas situaciones particulares.

Efecto del nitrgeno en la capa dura

El nitrgeno, al igual que el carbono, manganeso y nquel son gammgenos (estabilizadores de austenita).

Esto significa que puede quedar austenita retenida luego del temple, siengo en algunas ocasiones un factor

preocupante en los aceros carbonitrurados. Se manifiesta como una disminucin en la dureza superficial de

la capa dura, segn se muestra en la Figura 12, y en algunos casos esto es intolerable. En estas situaciones, se debe bajar el porcentaje de amonaco de la atmsfera, lo cual reduce la cantidad de austenita retenida. De la

misma figura se deduce que al bajar el porcentaje de amonaco de 11% a 3%, disminuye la cantidad de

austenita retenida aumentando la dureza superficial.

Figura 12. Gradiente de dureza en un acero carbonitrurado a 815C por 1.5 horas y templado en aceite.

Una de las ventajas ms importantes de la carbonitruracin es que el nitrgeno absorbido por el acero

disminuye la velocidad crtica de temple. Es decir, la capa perifrica del acero carbonitrurado tiene mayor templabilidad que cuando el acero ha sido sometido a carburizacin gaseosa (seccin 2.1.1). Incluso

partiendo de un acero de bajo carbono, y por ende de baja templabilidad (por ejemplo aceros AISI 1010,

1020 y 1113), se puede lograr una estructura martenstica en la capa dura luego del temple. Esto se muestra a la izquierda de la Figura 13. Esto facilita mucho la sustitucin de aceros de alta aleacin por aceros

carbonitrurados de bajo precio. Adems, en la carburizacin gaseosa pueden aparecer algunos puntos

blandos en la capa dura, situacin que no suele ocurrir en la carbonitruracin.

Lisandro Ferrero 16

Figura 13. Izquierda: Capa superficial de martensita producida luego del temple de un acero carbonitrurado a 850C. Derecha: Curvas de Jominy de un acero al carbono de 0.08 %C cementado y carbonitrurado a 825, 875 y 900C.

A la derecha de la Figura 13 se puede observar el efecto del nitrgeno y de la temperatura en la

templabilidad de un acero al carbono carbonitrurado. Se observa el aumento de templabilidad, como consecuencia de una mayor dureza de temple, debido a la presencia del nitrgeno en el acero carbonitrurado.

Inclusive, el aumento de templabilidad es an mayor cuanto menor es la temperatura de carbonitruracin

(este efecto se explica en la siguiente seccin). Esto tiene la ventaja de que la pieza recibe menos deformacin, al templar desde una temperatura menor, disminuyendo las operaciones de enderezado y

rectificado final.

Efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de capa

La Figura 14 muestra el efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de la capa carbonitrurada. Se

observa que tanto la temperatura como el tiempo incrementan la profundidad de la capa carbonitrurada. Por otro lado, una mayor temperatura reduce la fuente efectiva de nitrgeno atmico que pueda ingresar

al acero. Esto se explica mediante las siguientes reacciones:

N3HNH3 Ec. 14

2N2N Ec. 15

2H2H Ec. 16

en donde el amonaco se disocia en nitrgeno e hidrgeno atmicos, los cuales a su vez se combinan en

nitrgeno e hidrgenos moleculares. Las ecuaciones 15 y 16 se ven favorecidas con el aumento de temperatura, con lo cual una menor temperatura implica una mayor cantidad de nitrgeno atmico

disponible. Esto, a su vez, implica una mayor cantidad de nitrgeno en la capa, lo cual aumenta la

templabilidad de la misma. La uniformidad en el espesor de la capa depender de la uniformidad en la temperatura del horno,

recirculacin y reabastecimiento adecuado de la atmsfera. En este caso aplican las mismas variables de

proceso de la seccin 2.1.1.

Lisandro Ferrero 17

Figura 14. Efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de la capa carbonitrurada

Efecto de la temperatura de revenido

Muchas piezas carbonitruradas con capas poco profundas no requieren de un revenido posterior. Otras

veces, es necesario revenir la pieza a fin de incrementar la tenacidad (si trabaja con cargas de impacto) o

minimizar la aparicion de microfisuras superficiales (en caso de mecanizar). La Figura 15 muestra como disminuye la dureza superficial de un acero 1018 con el incremento de la

temperatura de revenido, para diferentes temperaturas de carbonitruracin y porcentaje de amonaco.

Figura 15. Influencia de la temperatura de revenido de la dureza superficial de un acero 1018 carbonitrurado a diferentes temperaturas y porcentajes de amonaco.

La Tabla 4 muestra la influencia de la temperatura de revenido en la energa de impacto y dureza de un

acero carbonitrurado. Se observa que al incrementar la temperatura de revenido, incrementa la energa de

impacto. Adems, se observa cmo la dureza superficial es siempre menor que la dureza a 0.075mm de la superficie, debido al efecto de la austenita retenida.

Lisandro Ferrero 18

Distancia desde la superficie (mm)

T de rev

(C)

Energa

Impacto (J)

T ensayo

(C)

Superf Nucleo 0.075 0.15 0.25 0.38 0.64 1.0 1.4

Dureza HRC

Templado 1.4 25 60 53 63 64 64 63 61 61 58

370 2 25 47 46 57 57 55 54 49 50 60

425 29 25 42.5 43 57 57 56 55 49 47 47

480 69 25 38 38 54 54 52 50 42 38 38

480 47 -18 - - - - - - - - -

540 78 25 35 32 49 50 50 47 36 33 32

Tabla 4. Influencia de la temperatura de revenido en la energa de impacto y dureza de un acero 1041 carbonitrurado a 845C por 3 horas en una atmsfera de 7% NH3. Templado en aceite desde la temperatura de carbonitruracin.

2.2.2 Carbonitruracin Lquida - Cianuracin

Se emplea para endurecer superficialmente pequeas piezas de aceros de bajo y medio carbono, con o sin

aleacin. Al igual que en la carburizacin lquida (seccin 2.1.3), en la carbonitruracin lquida o cianuracin la pieza es inmersa en un bao de sales carburizantes a una temperatura mayor a Ac1. Ambas

tcnicas son similares. Se distinguen entre s por la profundidad y composicin qumica de la capa

producida, segn se muestra en la Tabla 5 y en la Figura 16.

Carburizacin Lquida

Carbonitruracin Lquida o

Cianuracin

Composicin qumica de

la capa

Mayor contenido de carbono y

menor de nitrgeno

Mayor contenido de nitrgeno y

menor de carbono (comparado con la

carburizacin lquida)

Profundidad

tpica

Hasta 6.35mm < 0.25 mm

Tabla 5. Principales diferencias entre la carburizacin lquida y la carbonitruracin lquida.

Figura 16. Penetracin del carbono y nitrgeno en un acero de

0.17% de C, endurecidos por cianuracin y por cementacin con sales con cianuro (carburizacin lquida).

En la Tabla 5 se puede observar las bajas profundidades de capas asociadas a la cianuracin, siendo sta

su principal desventaja. En la cianuracin el contenido de nitrgeno de la capa es mayor que en la carburizacin lquida. Esto se

logra incrementando el contenido de cianuros en el bao de sales. De esta forma, el proceso de cianuracin

emplea baos de sales con la composicin qumica que se muestra en la Tabla 6 (comparar el contenido de cianuro sdico de esta tabla con el de la Tabla 3).

Grado o

concentracion

Cianuro Sdico

NaCN (%)

Carbonato Sdico

NaCO3 (%)

Cloruro Sdico

NaCl (%)

T de

fusin C

96 a 98 % 97 2.3 Trazas 560

75 % 75.3 3.5 21.2 590

45 % 45.3 37 17.7 570

30 % 30 40 30 625 Tabla 6. Composicin de diferentes calidades de cianuro sdico comercial

La mezcla grado 30 es una de las ms empleadas. Las sales de carbonato y cloruro sdico son inertes en

el bao y se agregan para controlar la temperatura de fusin de la mezcla, com as tambin mejorar la fluidez del bao fundido.

Cementacin

Cementacin

Cianuracin

Lisandro Ferrero 19

La carburizacin del acero se realiza por la accin del CO que se desprende del bao, generalmente entre

760-950C, y la nitruracin por la accin del nitrgeno, segn las siguientes reacciones.

El cianuro se oxida al reaccionar con el oxgeno del aire, dando cianato sdico:

2NaCNOO2NaCN 2 Ec. 17

El cianato sdico se descompone por la accin del calor en cianuro sdico, carbonato sdico, oxido de carbono y nitrgeno naciente:

2NCOCONa2NaCNcalor4NaCNO 32 Ec. 18

El cianuro de sodio formado vuelve a iniciar el ciclo, siendo siempre el carbonato sdico el producto final

de la transformacin.

El xido de carbono que se libera durante la descomposicin del cianato, se descompne en carbono

naciente y dixido de carbono (ecuacin 3), que en contacto con el acero caliente se disuelve en hierro gamma y difunde hacia el interior. De esta forma, el carbono forma carburos, y el nitrgeno nitruros.

Otra posible explicacin de la incorporacin de carbono y nitrgeno al acero es la siguiente. El cianuro de sodio, por la accin del oxgeno, se transforma en carbonato, xido de carbono y nitrgeno naciente:

2NCOCONa2O2NaCN 322 Ec. 19

El xido de carbono se descompone en carbono naciente y dixido de carbono (ecuacin 3). El dixido de

carbono ataca al cianuro y forma cianato:

CONaCNOCONaCN 2 Ec. 20

El cianato formado se descompone por la accin del calor segn la ecuacin 18 .

La composicin de la capa cianurada vara mucho de un caso a otro, dependiendo de la temperatura de cianuracin y de la concentracin del cianuro de sodio. Los nitruros que se forman, interfieren y dificultan la

penetracin del carbono. En general, el nitrgeno formar nitruros y quedar su gran mayora en la zona

exterior de la capa dura. Hacia el interior de la capa, predominan los carburos. Debido a esta influencia del nitrgeno, la cianuracin con capas duras de ms de 0,3mm resulta poco atractivo econmicamente.

2.3 Nitruracin

Es una tcnica de endurecimiento superficial de aleaciones ferrosas en el que se consiguen durezas

extraordinarias en la periferia de las piezas por absorcin de nitrgeno en una atmsfera de amonaco y sin la necesidad de un temple final.

Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruracin. La nitruracin se realiza en una atmsfera de amonaco a 500-575 C, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan

profundidades de capa de 0.20 a 0.70 mm y durezas de hasta 70 HRC.

Al calentarse, el amonaco se disocia segn la ecuacin 14 formando en primer lugar nitrgeno e

hidrgeno atmico, y luego nitrgeno e hidrgeno moleculares (gaseosos) segn las ecuaciones 15 y 16. nicamente una pequea proporcin del nitrgeno atmmico (naciente) reacciona con el acero,

transformndose rpidamente e1 resto en nitrgeno molecular inerte. El hidrgeno tambin se encuentra en

los primeros momentos en estado atmico, pero pasa luego rpidamente al estado rnolecular. La parte del

nitrgeno que reacciona con el acero difunde hacia el interior del mismo y formar nitruros de aluminio, cromo, molibdeno y hierro, creando una capa superficial de elevada dureza.

Dado que despus de la nitruracin las piezas ya adquieren dureza superficial, no es necesario enfriarlas

rpidamente desde la temperatura de nitruracin. Esto evita las deformaciones provenientes del enfriamiento rpido. Adems, siempre que la temperatura de nitruracin sea inferior la temperatura de revenido, las

Lisandro Ferrero 20

propiedades mecnicas del ncleo de la pieza quedarn inalteradas y sern las mismas a las obtenidas

previamente del tratamiento de temple y revenido.

Por ser relativamente baja la temperatura de nitruracin, no hay crecimiento grano. Tampoco es necesario someter las piezas nitruradas a ningn tratamiento de regeneracidn posterior.

Los pasos completos del proceso de nitruracin suelen ser los siguiente: a) Mecanizado de las barras laminadas o piezas en bruto de forja o estampado, dejando un exceso de 2

mm sobre las medidas finales.

b) Temple y revenido a una temperatura tal que el ncleo consiga la dureza o resistencia deseada. c) Mecanizado final de las piezas, dejndolas casi exactamente a las medidas finaIes. d) En algunos casos se somete a las piezas a un tratamiento a 500-600 C (temperatura inferior a la de

revenido) para eliminar las tensiones de mecanizado.

e) Proteccin de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado. f) Nitruracin. g) Ligero rectificado final (opcional).

2.3.1 Ventajas de la Nitruracin

1. GRAN DUREZA. Luego de la nitruracin, se pueden conseguir durezas de hasta 1100 Vickers, mayor a las posibles por cementacin (ver Figura 17).

Figura 17. Durezas obtenidas por nitruracin de diferentes tipos de aceros.

2. GRAN RESISTENCIA A LA CORROSIN. Despus de la nitruracin, los aceros tienen mayor resistencia a la corrosin por agua dulce, agua salada, vapor o atmsferas hmedas. En caso que

interese la mxima resistencia a la corrosin, no deben rectificarse las piezas despus de nitruradas.

3. AUSENCIA DE DEFORMACIONES. Debido a que no es necesario realizar un enfriamiento rpido desde la temperatura de nitruracin.

Lisandro Ferrero 21

4. ENDURECIMIENTO EXCLUSIVO DE DETERMINADAS SUPERFICIECS DE LAS PIEZAS. Durante la nitruracin se pueden proteger perfectamente 1as superficies de las piezas

que no se desea endurecer, aunque sean de formas complicadas e irregulares. 5. RETENCIN DE DUREZA A ELEVADAS TEMPERATURAS. Las capas nitruradas conservan

gran dureza hasta los 500 C, especia1mente cuando la duracin del calentamiento no es muy

prolongada, segn se muestra en la Figura 18. Esa propiedad es interesante para piezas de mquinas en donde pueda ocurrir sobrecalentamientos accidentales, por ejemplo, por falta de

lubricacin. En caso de tratarse un acero cementado, un incremento de temperatura disminuira la

dureza, pudiendo agarrotar el mecanismo.

Figura 18. Retencin de durezas a alta temperatura de diferentes tipos de aceros nitrurados.

2.3.2 Diagrama Hierro-Nitrgeno

En la Figura 19 se muestra el diagrama de equilibrio hierro-nitrgeno. Se observa la existencia de dos

nitruros: El nitruro 1 (Fe2N), que contiene 11,3 % de nitrgeno, y el nitruro 2 (Fe4N, tambin llamado '), que contiene 5,8 % de nitrgeno. Tambin se observa la presencia de un eutectoide, con 2,35 %, de nitrgeno, constituido por hierro alfa y Nitruro 2 ( + '), al que se le di el nonibre de braunita.

Lisandro Ferrero 22

Figura 19. Diagrama de equilibrio Hierro-Nitrgeno.

A temperaturas inferiores a la eutectoide (590C), el porcentaje de nitrgeno que puede formar solucin slida con el hierro alfa es muy pequeo, variando desde 0,42 % a 590C, hasta 0,001 % a la temperatura

ambiente. Adems de las fases y que se presentan normalmente en todos los aceros, aqu aparece la fase ' que cristaliza en el sistema cbico y es estable slo en una zona muy estrecha de 5,6 a 5,9 % de nitrgeno aproximadamente, y la fase que cristaliza en el sistema hexagonal y es estable para porcentajes de nitrgeno variables de 8 a 11,3 % aproximadamente.

2.3.3 Teora de la nitruracin

En un principio, para lograr una nitruracin efectiva en los aceros al carbono, es condicin necesaria

cumplir al menos con los siguientes factores:

a) La temperatura de nitruracin debe ser inferior a la del eutectoide

Si se nitrura un acero al carbono extradulce (sin aleantes) a 700C en una atmsfera de amonaco, se obtendra una capa relativamente dura, pero tan frgil que el proceso no tendra aplicacin industrial. La

principal causa de esa gran fragilidad es la aparicin del eutectoide braunita que se forma cuando la

nitruracin se realiza a temperatura superior a 590C. En ese caso la penetracin del nitrgeno sera ms fcil, pudiendo llegar hasta un 9 % en la superficie. De esta forma, de la periferia al centro apareceran las

siguientes fases: , ' + , ', + ' (braunita) y .. Esta secuencia de microconstituyentes puede deducirse fcilmente del diagrama de fases Fe-N (Figura 19) y se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Composicin de la capa nitrurada de un acero al carbono extradulce (sin aleantes) en funcin de la temperatura de nitruracin.

Lisandro Ferrero 23

El mecanisrno de nitruracin difiere bastante al de cementacin. En la cementacin se emplean

temperaturas elevadas (mayores a la etuectoide) para facilitar la solubilidad del carbono en la austenita. La

nitruracin se efecta a menores temperaturas (alrededor de 500C), inferiores a la eutectoide braunita (590C) en las que el porcentaje de nitrgeno que se puede disolver en el acero ferrtico es muy pequeo. No

se emplean temperaturas ms elevadas, porque se obtendran capas nitruradas muy frgiles sin utilidad

prctica industrial.

b) Es necesaria la presencia de aleantes formadores de nitruros

En un acero al carbono ordinario, la difusin del nitrgeno hacia el interior se efecta con ms facilidad

que en los aceros aleados. Sin embargo, se obtendran durezas superficiales inferiores a los 60 HRC. Esta dureza se incrementa hasta 70 HRC (1000HV) si el acero presenta aleantes formadores de nitruros (Al, Cr,

Mo, V). Adems, la adherencia de la capa se incrementa significarivamente. Los mecanismos de

endurecimiento ms importantes que explican el incremento de la dureza son: endurecimiento por la precipitacin de los nitruros, bloqueo de planos de deslizamiento del hierro alfa y la presencia de tensiones

de compresin originada por el incremento de volumen asociado a la formacin de los nitruros.

Microestructura de la Capa Nitrurada

La capa nitrurada posee las siguientes zonas distintivas: La capa blanca, la zona de difusin, la zona de

transicin, y el ncleo, segn se muestra en la Figura 21

Figura 21. Esquema y microestructura de la capa nitrurada. La microestructura de la derecha corresponde a un acero 0.4%C,

1.6%Cr, 0.35%Mo y 1.13%Al. El ncleo consiste de martensita revenida con 30 HRC de dureza.

La CAPA BLANCA recibe este nombre por el color que toma cuando se la ataca con Nital. Est constituida por las fases y ' y tiene un espesor tpico de hasta 25 m. La concentracin de cada fase depende de la composicin qumica del acero, principalmente el contenido de carbono, y de la temperatura,

composicin del gas y tiempo de nitruracin. Esta capa es muy dura y quebradiza y no es deseada en la

nitruracin, pudiendo ser removida con un ligero mecanizado en caso de ser necesario. Un posible mecanismo de formacin de la capa blanca se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Pasos esquemticos en la formacin de la capa blanca en la nitruracin de un acero.

La ZONA DE DIFUSIN est inmediatamente por debajo de la capa blanca. Esta regin est conformada

por nitruros estables provenientes de la reaccin entre el nitrgeno y los elementos formadores de nitruros

que contenga el acero. El espesor tpico llega a 1 mm, y depende de la temperatura y tiempo del proceso. Es sta regin la que le confiere las propiedades de dureza y resistencia a la fatiga de las capas nitruradas.

Capa Blanca (nitruros y ')

Zona de difusin

Zona de transicin

Ncleo

Lisandro Ferrero 24

La ZONA DE TRANSICIN, como su nombre lo indica, corresponde a un gradiente de microestructuras

intermedios entre la zona de dufisin y la microestructura del nucleo de la pieza. Esta zona no siempre es

visible por medio de la microscopa. La microestructura del NUCLEO consiste en martensita revenida. Se considera que la dureza del ncleo

es la misma que la obtenida luego del temple y revenido.

2.3.4 Composicin de los aceros de nitruracin

Los elementos de aleacin ms comunmente usados en la prctica de la nitruracin de los aceros son: Al, Cr, V, W y Mo. Todos ellos son formadores de nitruros estables a la temperatura de nitruracin.

El carbono se encuentra en el rango de 0.20 a 0.60%. Su funcin es la de proveer las caractersticas

mecnicas al ncleo de la pieza, y no tiene influencia directa en la profundidad y dureza de la capa nitrurada.

El aluminio es el aleante ms importante cuando se quieren conseguir las mximas durezas. Generalmene se limita su contenido a un mximo de 1.5% y debe ir acompaando de otros aleantes. Si no se cumple

alguna de estas condiciones, la capa nitrurada resultante ser demasiado frgil.

El molibdeno forma nitruros estables a la temperatura de nitruracin, aumentando la dureza de la capa exterior. Adems, mejora la tenacidad del ncleo y evita la fragilidad que presenta los aceros sin molibdeno

al permanecer mucho tiempo a temperaturas de alrededor de 500 C.

El cromo y el vanadio aumentan la profundidad de capa e incrementan la influencia del aluminio y del

molibdeno. La Tabla 7 muestra la composicin qumica de los aceros al carbono ms empleados en la nitruracin:

Tipo de acero Composicin Qumica Dureza

Vickers Resistencia Mecnica

(kg/mm2) C Si Mn Ni Cr Al Mo V

Cromo-Aluminio-

Molibdeno

0.50 0.35 0.65 - 1.60 1.10 0.20 - 1100 126

0.40 0.35 0.65 - 1.60 1.10 0.20 - 1100 98

0.30 0.35 0.65 - 1.60 1.10 0.20 - 1100 91

0.20 0.35 0.65 - 1.60 1.10 0.20 - 1100 76

Alto en cromo con

molibdeno y

Vanadio

0.40 0.30 0.50 0.30 3.00 - 1.00 0.25 850 133

0.30 0.30 0.45 0.30 3.00 - 0.40 - 850 100

0.20 0.30 0.45 0.50 3.00 - 0.40 - 850 79

Cromo-Molibdeno-

Vanadio

0.35 0.30 0.50 - 2.00 - 0.25 0.15 750 98

0.25 0.30 0.50 - 2.00 - 0.25 0.15 750 94

0.18 0.30 0.50 - 2.00 - 0.25 0.15 750 83

Cromo-Molibdeno 0.30 0.30 0.60 0.60 1.00 - 0.20 650 92

Tabla 7. Composicin qumica y propiedades mecnicas de algunos aceros de nitruracin. La resistencia mecnica corresponde a la del ncleo, luego de templado y revenido a 650C.

Debido a que los elementos de aleacin modifican el diagrama de equilibrio hierro carbono, es posible emplear en todos los aceros de la Tabla 7 temperaturas de nitruracin un poco ms elevadas que las que

corresponden a los aceros al carbono sin aleantes. No se corre peligro de que aparezca braunita en la capa

perifrica, dado que la temperatura eutectoide puede elevarse hasta 650C, dependiendo del acero.

2.3.5 Instalaciones de nitrurar

Los elementos necesarios para efectuar la nitruracin son: el horno de tratamiento, la caja de nitrurar, un tubo de amoniaco y un aparato para medir la disociacin del gas.

Los hornos de tratamiento suelen ser casi siempre elctricos con regulacin automtica de temperatura.

La caja donde se colocan las piezas a nitrurar, suele ser de nquel, acero inoxidable austenitico o hierro esmaltado. La caja llevar tres tubos, uno en la parte inferior para la entrada del amoniaco, otro en la parte

superior de salida y el tercero, cerrado, para el par del pirmetro. El cierre de la caja debe ser hermtico, a fin

de contener la atmsfera nitrurante. Junto al horno se colocar una botella de amoniaco, conectada con el tubo de entrada de gas a la caja. El

tubo de salida ir a dos frascos lavadores llenos de agua, en los que el burbujeo servir para tener una idea

del consumo del gas.

Lisandro Ferrero 25

Figura 23. Esquema de una instalacin de nitruracin.

2.4 Nitrocarburacin

La nitrocarburacin, o nitrocarburacin ferrtica, es un proceso modificado de nitruracin y no una forma

de carburizacin. En la nitrocarburacin, tanto nitrgeno como carbono (en menor cantidad) se introducen en

forma simultnea en el acero en fase ferrtica.

Este proceso se aplica en forma exitosa a la mayora de los metales ferrosos, incluyendo aceros al carbono forjados, obtenidos de metalurgia de polvos, aceros de corte libre, microaleados, aleados, aceros para

herramientas, aceros inoxidables y fundiciones.

La dureza de la capa dura es de 60 a 72 HRC, y tiene excelentes propiedades antirallado y resistencia al desgaste, con distorsin mnima.

El tratamiento puede ser llevado a cabo en un bao de sales lquido, o en una atmsfera gaseosa.

ltimamente est teniendo mayor participacin la nitrocarburacin por plasma.

Microestructura de la Capa Nitrocarburada

La capa blanca, superficial, est compuesta por un carbonitruro de hierro (fase ) que se forma entre 490 y 590C. El espesor de la capa blanca est entre 10 y 40 m en general, y depende de la temperatura, composicin del gas y velocidad de flujo del gas (ver Figura 24). La capa blanca en la nitrocarburacin en

general es contnua y le confiere buenas propiedades a la capa dura. Debajo de la capa blanca se encuentra la zona de difusin, compuesta por nitruros de hierro y nitruros de

de algunos elementos de aleacin y nitrgeno absorbido. El espesor total (capa blanca ms zona de difusin)

puede llegar a ser 1 mm.

Lisandro Ferrero 26

Figura 24. Capa superficial luego de una nitrocarburizacion ferrtica a 570C. El nitrgeno es el elemento predominante.

2.4.1 Nitrocarburacin lquida

La nitrocarburacin lquida comenz a usarse en la dcada de 1940, empleando baos de sales con alto

contenido de cianuros. Problemas medioambientales y costos asociados en el tratamiento de efluentes

llevaron al desarrollo de baos de sales con bajo cianuro, no txicos.

Los principales componentes del bao son sales de cianuros y cianatos de metales alcalinos, predominantemente sodio y potasio.

En general, el proceso consiste de los siguientes pasos:

a) Precalentamiento en aire hasta 350C. b) Nitrocarburacin en bao de sales a 570-580C por 1-2 horas. c) Enfriamiento intermedio a 400C. d) Enfriamiento a temperatura ambiente. e) Limpieza Existe una gran cantidad de procesos de nitrocarburacin lquida que son variaciones de los pasos

recin mencionados, dando como resultados a tcnicas patentadas que se aplican casi exclusivamente a un tipo de pieza en particular. Ejemplos de estos procesos son:

Nitrocaburacin en bao de sales con alto cianuro.

Nitrocaburacin en bao de sales con bajo cianuro.

Nitrocaburacin en bao de sales con cianuro y compuestos de azufre: La presencia del azufre mejora la resistencia al desgaste de la capa dura.

Nitrocaburacin en bao de sales a baja temperatura (480C): Especialmente para aceros de alta aleacin. Se obtienen capas de menor espesor.

Nitrocaburacin en bao de sales a alta temperatura. (580-630C): La principal diferencia con el proceso anterior en un incremento en el espesor de la capa dura.

Nitrocaburacin en bao de sales con pos tratamiento: En este caso, al finalizar la nitrocarburacin estndr, se hace un rectificado de la capa blanca y se vuelve a introducir la pieza en el bao de sales a 400C por 30 minutos. Esto mejora notablemente la resistencia a la corrosin.

Los ventajas del proceso son:

Se obtienen componentes de alta calidad: Elevada resistencia a la corrosin, repetitividad en los resultados y uniformidad en la capa.

El procesos simple: Pocos parmetros a monitorear (temperatura, tiempo, composicin del bao).

Lisandro Ferrero 27

Alta flexibilidad en el proceso: Se pueden procesa varias piezas de diferentes tratamientos al mismo tiempo.

Baja distorsin

2.4.2 Nitrocarburacin Gaseosa

Al igual que la nitrocarburacin lquida, existen varios procesos patentados de usos particulares. En

general, se puede decir que el tratamiento se realiza a 450-590C, por 1-3 horas, en una atmsfera de amonaco y gas endotrmico (por ejemplo, una mezcla de 50-50 de cada uno).

No se har hincapi en este proceso, ya que la teora bsica es la misma a los procesos ya explicados

anterioremente. La Figura 25 muestra un ejemplo de la prctica de nitrocarburacin de cigeales.

Figura 25. Izq. Carga de cigeales al horno para nitrocarburacin. Der. Microestructura de uno de los cigeales

nitrocarburados a 570C por 3 horas.

2.5 Boronizado

Este proceso involucra la difusin de boro en la superfcie de un acero a 850-950C. El boro se combina

con el hierro del acero y alguno de los elementos de aleacin, formando boruros. De esta forma, se obtiene una capa de muy alta dureza (hasta 2000 HV), resistente al desgaste, a altas temperaturas y a la corrosin.

Se aplica a aceros al carbono, de baja aleacin, aceros para herramientas, aceros inoxidables y aceros

sinterizados. Tambin se realizan boronizados sobre aceros ya carburizados. Existen los siguientes procesos de boronizado: boronizado en cajas (slido), boronizado lquido,

boronizado gaseoso, boronizado en plasma, boronizado en lecho fluidizado. De todos estos mtodos, slo el

boronizado slido tiene inters comercial.

Ventajas

Capas de muy alta dureza y se retiene la dureza a alta temperatura.

Bajo coeficiente de friccin y resistencia al desgaste.

Amplia variedad de aceros compatibles con el proceso.

Mejora en la reistencia a la corrosin-erosin

Mayor vida a la fatiga

Desventajas

Proceso muy laborioso y poco flexible.

Incremento considerable del volumen de la capa borada (hasta un 25% ms de espesor de la capa borada.

En caso de requerir un mecanizado final, slo es posible realizarlo con piedra de diamante.

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Caractersticas de la capa borada

La capa dura resultante puede estar formada por una o dos fases. En el caso monofsico, la capa es de

Fe2B. En el caso bifsico, la capa exterior es de FeB y la interior de Fe2B.

La fase FeB, si se forma, es muy frgil y se produce en una superficie que se encuentra altamente

tensionada (tensiones de traccin). El Fe2B es la fase preferida, por ser menos frgil y generar tensiones de compresin en la pieza.

Si bien el FeB se encuentra presente en la mayora de las capas boradas, su efecto no es perjudicial

cuando no forma una capa contnua. Contrariamente, puede ser perjudicial en algunos casos que se encuentra formando una capa contnua, dado que puede introducir fisuras en la capa dura, generando una separacin de

la capa. Esta situacin se muestra en la Figura 26. La capa de FeB puede ser minimizada con un tratamiento

trmico de recocido luego del boronizado. Se observa una morfologa tipo diente de sierra, muy comn en los aceros al carbono y de baja aleacin.

Figura 26. Izq: Separacin de parte de la capa boronizada de un acero al carbono (900C x 4 horas). Se puede observar que

la capa est formada por dos fases. Der. Efecto de diferentes aleantes en la morfologa de la capa borada.

Las propiedades mecnicas, morfologa y espesor de la capa borada depende fuertemente del contenido

de aleantes del acero. En general, a mayor contenido de aleantes, menor espesor de capa, dado que los

aleantes retardan la difusin del boro.

Boronizado en cajas

Es el proceso de boronizado ms comn, en donde las piezas se cubren con un agente borante en polvo, se

sella la caja, y se lo calienta a 900-1000C. El boro difunde hacia el metal y forma la capa de boruros. Luego

de 3 a 5 horas, la caja se retira del horno y se deja enfriar al aire. La Tabla 8 muestra algunos ejemplos de

composicin de polvos empleados en la prctica.

Fuente de boro Activadores Relleno (Inerte)

B4C 5% KBF4 5% SiC 90%

B4C 50% KBF4 5% SiC 45%

B4C 85% Na2CO3 15% - -

B4C 95% Na2B4O7 5% - -

B4C 84% Na2B4O7 16% - - Tabla 8. Composiciones tpicas de polvos empleados en el boronizado en cajas.

Los espesores tpicos de capa borada son 0.05 a 0.25mm para aceros de bajo carbono y de baja aleacin y

0.025 a 0.076 mm para aceros de alta aleacin.

Lisandro Ferrero 29

2.6 Sulfinizacin

En este tratamiento se incorpora carbono, nitrgeno y azufre en la superficie del acero, al someter la pieza

a un bao de sales a baja temperatura (565C). Como resultado, se obtiene una notable mejora en la resistencia al desgaste. En este tratamiento no se observa un incremento significativo en la dureza superficial

del acero.

Se suele emplear un bao formado por dos sales: una sal de bajo punto de fusin: carbonato sdico con

cianuro sdico y cloruro potsico (puede considerarse como una sal tpica de cianuracin); y una sal portadora de azufre: cloruro de potasio con cianuro sdico y sulfito sdico. A veces interviene un tercer tipo

de sal, de relleno, que es inerte en el proceso.

En la sulfinizacin se forman don capas. La capa exterior es dura y frgil y de bajo espesor (10 a 30 m). Est compuesta de nitruros de hierro y nitruros de elementos de aleacin (Al, Cr y W, si estn presentes). La

capa interior es ms blanda y de mayor espesor. La profundidad total que se alcanza es de hasta 0.30 mm. El

esquema de una capa sulfinizada se muestra en la Figura 27.

Figura 27. Esquema de una capa sulfinizada.

Las superficies sulfinizadas se comportan en cierto modo como los metales antifriccin. Este fenmeno se explica por la microfusin de compuestos de azufre (de bajo punto de fusin) como consecuencia del

incremento de temperatura generada en el rozamiento. Esto facilita el deslizamiento entre las piezas. Por otro

lado, los compuestos duros incrustados en la matriz (nitruros), mejoran la resistencia al roce.

Lisandro Ferrero 30

Anexo 1 La siguiente tabla resume las principales caractersticas de los mtodos de endurecimiento superficial por

difusin (Procesos Termoqumicos).

Proceso Especie endurecedora

T (C) Prof tpica Dureza (HRC)

Metales base tpicos

Caractersticas del Proceso

Carburizacin (Carburizing)

Slida (Pack) C 8151090

125 m1.5 mm

5063(a) AbC, A aleados bC

Bajo costo del equipamiento. Poco control de la profundidad de capa.

Gaseosa C 815980

75 m1.5 mm

5063(a) AbC, A aleados bC

Buen control de profundidad de capa. Adecuado para la operacin continua.

Requiere cuidadosos controles del gas. Puede ser peligroso.

Lquida / Sales C (+ N probablem)

815980

50 m1.5 mm

5065(a) AbC, A aleados bC

Ms rpido que los procesos Pack y Gas. Problemas con la disposicin de las sales. Mantenimiento frecuente de las sales.

Vaco C 8151090

75 m1.5 mm

5063(a) AbC, A

aleados bC

Excelente control del proceso.

Mayor rapidez. Equipamiento caro.

Nitruracin

(Nitriding)

Gas N + Cptos de N

480590

125 m0.75 mm

5070

A aleados, nitriding steels, SS

No requiere de temple. Baja distorsin. Proceso lento (en gral batch).

Lquida / Sales N + Cptos de N

510565

2.5 m0.75 mm

5070

Ferrosos en gral (incluye fundiciones)

Para capas delgadas 70

A aleados,

A para herramientas, Aleac. Co, Aleac. Ni

Capas de alta dureza.

(a) Requiere de un temple desde la fase austentica

Lisandro Ferrero 31

Anexo 2 En la siguiente figura se muestra el diagrama estable hierro grafito (linea punteada) y el diagrama

metaestable Fe Fe3C (lnea contnua).

Endurecimiento SuperficialIntroduccinProcesos TermoqumicosCarburizacinCarburizacin GaseosaEquipamiento Tipos de HornosVariables en el proceso de carburizacin

Carburizacin SlidaCompuestos de CarburizacinEquipamiento Tipos de Hornos y Cajas CementantesVariables en el Proceso de CarburizacinVariaciones en la Profundidad de Capa

Carburizacin LquidaBao de Sales con CianuroBao de Sales sin CianuroEquipamiento Tipos de Hornos

CarbonitruracinCarbonitruracin GaseosaEfecto del nitrgeno en la capa duraEfecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de capaEfecto de la temperatura de revenido

Carbonitruracin Lquida - Cianuracin

NitruracinVentajas de la NitruracinDiagrama Hierro-NitrgenoTeora de la nitruracinMicroestructura de la Capa Nitrurada

Composicin de los aceros de nitruracinInstalaciones de nitrurar

NitrocarburacinMicroestructura de la Capa NitrocarburadaNitrocarburacin lquidaNitrocarburacin Gaseosa

BoronizadoVentajasDesventajasCaractersticas de la capa boradaBoronizado en cajas

Sulfinizacin

Anexo 1Anexo 2